朱繼忠，何晨可，陳婧韻，李波，李梁

(1. 華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州510641；2. 國網(wǎng)浙江電動(dòng)汽車服務(wù)有限公司，杭州310030)

0 引言

當(dāng)今世界能源需求日趨增加，能源供需矛盾凸顯，為保障能源供應(yīng)安全，提高能源利用效率，降低溫室氣體排放，尋求替代性能源已然成為能源改革的必經(jīng)之路[1]。綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system, IES)以電力系統(tǒng)為核心，耦合電、熱、冷、氣等多種能源，通過各種能源生產(chǎn)、傳輸、儲存、轉(zhuǎn)換、分配等環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)能源高效利用，從而滿足工業(yè)生產(chǎn)與居民生活的能源多樣化需求[2]。電動(dòng)汽車(electric vehicle，EV)以其高效、節(jié)能、低噪聲、零排放的優(yōu)勢，將得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[3]。在能源技術(shù)、交通電氣化技術(shù)和信息技術(shù)支撐下，不同層級的IES共同構(gòu)成能量流、交通流和信息流深度融合的能源生態(tài)系統(tǒng)，表現(xiàn)出顯著的互聯(lián)互動(dòng)特征[4]。IES的技術(shù)核心可以分為智能用電系統(tǒng)、EV、需求側(cè)響應(yīng)等，作為一種靈活的充電負(fù)荷及儲能裝置，EV可以為IES提供調(diào)頻和備用等輔助服務(wù)，推動(dòng)可再生能源的廣泛利用[5]。對IES環(huán)境下EV充換電設(shè)施的進(jìn)行合理和準(zhǔn)確地規(guī)劃，將對IES和EV充換電網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)產(chǎn)生較為深遠(yuǎn)影響，具有重要的研究意義。

國務(wù)院印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035)》[6]中指出發(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強(qiáng)國的必由之路，是應(yīng)對氣候變化、推動(dòng)綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措，同時(shí)指出我國新能源汽車發(fā)展面臨基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)仍顯滯后、產(chǎn)業(yè)生態(tài)尚不健全等問題。同時(shí)，國家發(fā)改委和能源局聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于推進(jìn)電力源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補(bǔ)發(fā)展的指導(dǎo)意見》[7]中指出當(dāng)前電力系統(tǒng)存在清潔能源開發(fā)消納比例較低、系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足、各類電源統(tǒng)籌協(xié)調(diào)不夠、源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)不充分等問題，源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補(bǔ)發(fā)展是電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的客觀需要，是提升可再生能源開發(fā)消納水平和非化石能源消費(fèi)比重的必然選擇，對于促進(jìn)我國能源轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有重要意義。

在IES規(guī)劃方面，IES能夠?qū)崿F(xiàn)各類能源的協(xié)調(diào)互補(bǔ)與高效利用，是現(xiàn)今能源互聯(lián)網(wǎng)中最具應(yīng)用前景與商業(yè)價(jià)值的運(yùn)營模式之一，因此，研究IES的最優(yōu)配置與運(yùn)行優(yōu)化策略對于促進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義[8]。在具有更高靈活性的 IES中，如何合理規(guī)劃使其更高效地應(yīng)對不確定因素的變化是面臨的重要挑戰(zhàn)[9]。IES供用能特征與其集成多種能源耦合設(shè)備息息相關(guān)，對其關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行合理、準(zhǔn)確地規(guī)劃，可提升資產(chǎn)利用率，減少投資冗余，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)IES規(guī)劃與運(yùn)行優(yōu)化之間互相影響，規(guī)劃結(jié)果指導(dǎo)調(diào)度計(jì)劃制定，運(yùn)行狀態(tài)又對規(guī)劃方案進(jìn)行校驗(yàn)[10]。IES設(shè)備組成與容量配置對IES的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要，隨著各類能源系統(tǒng)耦合的逐步加深以及系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，有必要在IES規(guī)劃時(shí)考慮其安全風(fēng)險(xiǎn)[11]。能源站和供能管線的規(guī)劃需要與城市規(guī)劃相協(xié)調(diào)，其合理性不僅會影響綜合能源工程的順利落地，也會影響后期IES建設(shè)和運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，因此有必要研究科學(xué)合理的IES能源站和供能管線的規(guī)劃方法[12]。忽略多能源系統(tǒng)之間的相互影響，單獨(dú)規(guī)劃電力或天然氣等能源網(wǎng)絡(luò)將很難保證規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性，因此開展IES多能聯(lián)合規(guī)劃的理論研究，是一項(xiàng)具有重大意義的前瞻性工作[13]。

EV充換電設(shè)施規(guī)劃方面，EV大規(guī)模接入電網(wǎng)充電，改變了配電網(wǎng)的負(fù)荷結(jié)構(gòu)和特性，對配電網(wǎng)規(guī)劃提出了新的要求，導(dǎo)致傳統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃準(zhǔn)則無法適用[14]?？茖W(xué)合理的充換電站選址對于建設(shè)項(xiàng)目運(yùn)行、EV的可持續(xù)發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)具有十分重大的意義[15]。充換電設(shè)施作為EV配套基礎(chǔ)設(shè)施，其建設(shè)運(yùn)行的優(yōu)劣直接影響到EV產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但由于建設(shè)初期規(guī)劃不盡合理、EV時(shí)空分布不確定性、用戶主觀選擇不確定性等因素，造成了充換電設(shè)施閑置、用戶等待時(shí)間過長、交通擁堵、電網(wǎng)電壓過低等問題[16]。隨著EV保有量迅速增長，EV大范圍接入對電網(wǎng)運(yùn)行、交通經(jīng)濟(jì)性和時(shí)政規(guī)劃等方面產(chǎn)生重要影響，大幅上漲的EV充換電設(shè)施建設(shè)需求對充換電設(shè)施經(jīng)營者提出了新的挑戰(zhàn)，無序的充換電設(shè)施規(guī)劃建設(shè)不僅會影響充電站經(jīng)營者的經(jīng)濟(jì)效益，還會影響用戶對于充換電服務(wù)的滿意度，不利于EV產(chǎn)業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展，兼顧充換電設(shè)施收益與用戶滿意度的EV充換電設(shè)施選址定容優(yōu)化是現(xiàn)研究領(lǐng)域亟待解決的問題[17]。充換電設(shè)施的選址需要綜合考慮多個(gè)因素的影響，這些因素之間可能相互沖突，因此充換電設(shè)施的規(guī)劃是一個(gè)多屬性決策問題，現(xiàn)有研究方法仍存在一些問題[15]。

同時(shí)，精確預(yù)測EV出行過程中的充換電需求是進(jìn)行充換電設(shè)施規(guī)劃及調(diào)度的前提，也是電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度、安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需要，將為EV配套市場乃至EV行業(yè)有序發(fā)展提供保障[18]。未來大規(guī)模EV負(fù)荷分布具有時(shí)間和空間上的隨機(jī)性、間歇性、波動(dòng)性等不確定性特點(diǎn)[19]。EV既是路網(wǎng)重要組成部分，也是電網(wǎng)用電終端，其行駛和用電行為使得路網(wǎng)與電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生交互影響[20]。大量EV無序充換電具有不可預(yù)測性，對電網(wǎng)也會造成較大沖擊[21 - 23]。EV作為一種具有部分可控性的雙向能量交互設(shè)備，特性復(fù)雜，值得深入研究[24]。

在含EV的IES規(guī)劃方面，由于IES多種能源間的強(qiáng)耦合和系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行靈活性，EV規(guī)?；尤虢oIES運(yùn)行帶來諸多影響，如果不對其充放電行為進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，有可能危害系統(tǒng)的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。同時(shí)，原有IES電、氣、熱等子系統(tǒng)在規(guī)劃容量、面積已定情況下，難以滿足日益增長的EV負(fù)荷需求[25]。雖然IES能夠促進(jìn)可再生能源的消納，但風(fēng)機(jī)(wind turbine, WT)、光伏(photovoltaic, PV)、EV負(fù)荷等的不確定性嚴(yán)重影響其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性[26]。將充換電設(shè)施構(gòu)建于IES內(nèi)將提高能源利用率，促進(jìn)能源靈活性，但這勢必涉及到車流交通網(wǎng)等問題[27]。隨著新能源發(fā)電和EV廣泛接入能源系統(tǒng)，加劇了IES運(yùn)行面臨的不確定性和復(fù)雜性，從而導(dǎo)致多能規(guī)劃難以精細(xì)化建模和求解[28]。

基于上述研究背景，本文首先闡述了IES的基本架構(gòu)及其規(guī)劃內(nèi)涵，同時(shí)，敘述了IES規(guī)劃的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，進(jìn)而，描述了IES各類供儲能設(shè)備(energy storage supply equipment, ESSE)運(yùn)行模型，并以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建了各類ESSE的容量配置模型，并概述了各供能網(wǎng)絡(luò)(energy supply network, ESN)的潮流模型。在EV充換電設(shè)施規(guī)劃方面，首先對各類EV負(fù)荷預(yù)測方法進(jìn)行了討論，對EV充換電設(shè)施規(guī)劃現(xiàn)狀進(jìn)行了分類討論，并概述了EV充換電設(shè)施與電網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃、考慮碳排放的EV充換電設(shè)施規(guī)劃兩個(gè)方面的研究現(xiàn)狀。最后，綜述了IES環(huán)境下EV充換電設(shè)施規(guī)劃的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。并總結(jié)了IES環(huán)境下EV充換電設(shè)施規(guī)劃發(fā)展所面臨的難題，并展望了今后的研究方向。

1 綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃

IES基本架構(gòu)圖1所示，ESN主要包含電網(wǎng)(distribution network，DN)、熱網(wǎng)(heating network，HN)、冷網(wǎng)(cold network，CN)和天然氣網(wǎng)(natural gas network, NGN)[29 - 30]。ESSE的供能設(shè)備(energy supply equipment, ESE)包含WT、PV、熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備(combined heat and power, CHP)、冷熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備(combined cooling heating and power, CCHP)、電制冷設(shè)備(electrical chiller, EC)、電制熱設(shè)備(electric heating, EH)、燃?xì)忮仩t(gas boiler, GB)和吸收制冷設(shè)備(absorption refrigeration, AR)[31 - 32]。儲能系統(tǒng)(energy storage system, ES)包含氣儲能設(shè)備(natural gas energy storage, NGES)、冷儲能設(shè)備(cold energy storage, CES)、電儲能設(shè)備(electric energy storage, EES)和熱儲能設(shè)備(thermal energy storage, TES)。

圖1 IES基本架構(gòu)

1.1 IES規(guī)劃的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有的IES規(guī)劃研究大多只考慮各類ESSE的出力與負(fù)荷需求之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對IES的ESSE容量優(yōu)化配置及運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)化[33 - 38]，忽略了對ESN拓?fù)浜虸ES潮流的考慮。IES中電、熱、氣、冷等多能之間互補(bǔ)運(yùn)行，具有強(qiáng)耦合性。耦合程度和耦合關(guān)系與耦合節(jié)點(diǎn)在ESN中的位置以及這些節(jié)點(diǎn)上的ESSE特性密切相關(guān)。

IES和交通系統(tǒng)融合架構(gòu)如圖2所示。隨著交通電氣化技術(shù)不斷加強(qiáng)，充電EV、換電EV、電動(dòng)公交車等交通電氣化技術(shù)的發(fā)展極大的推動(dòng)了IES和交通網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)融合。由圖2可知，IES和充換電設(shè)施之間通過電網(wǎng)和EV負(fù)荷時(shí)空分布等構(gòu)成相互耦合環(huán)節(jié)；充換電設(shè)施和交通系統(tǒng)之間通過EV充換電決策、交通情況等產(chǎn)生相互耦合因素。由此可知，IES和交通網(wǎng)絡(luò)之間具有雙向復(fù)雜耦合關(guān)系，并且這種耦合與EV并網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)位置以及并網(wǎng)數(shù)量密切相關(guān)。EV的強(qiáng)時(shí)空負(fù)荷特性將較大程度上影響電網(wǎng)潮流分布，并將對電網(wǎng)的影響耦合到IES不同的ESN，從而影響整個(gè)IES的潮流分布。由此可知，由于EV負(fù)荷的時(shí)空分布特性，針對含有大量EV的IES的規(guī)劃及運(yùn)行優(yōu)化的研究，考慮其ESN拓?fù)浼案黝惸茉吹某绷鞣植硷@的尤為重要。

圖2 IES和交通系統(tǒng)融合架構(gòu)

目前，已有不少IES規(guī)劃的研究進(jìn)一步考慮ESN拓?fù)鋄39 - 44]，但僅將ESN拓?fù)浼捌涔芫€容量設(shè)為已知參數(shù)。ESSE規(guī)劃配置及其運(yùn)行優(yōu)化與ESN規(guī)劃之間的緊密耦合關(guān)系如圖3所示，上述研究均未計(jì)及。此外，一些IES規(guī)劃研究進(jìn)一步考慮了ESN的拓?fù)鋬?yōu)化，但未對管線容量進(jìn)行優(yōu)化[45 - 52]；而一些研究僅優(yōu)化了的ESN管線容量，而未考慮對ESN供能拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃[53 - 54]。

圖3 ESSE規(guī)劃配置及運(yùn)行與ESN規(guī)劃的耦合關(guān)系

部分IES規(guī)劃研究同時(shí)考慮了ESN拓?fù)浜凸芫€容量的規(guī)劃，更好地考慮了ESSE和ESN規(guī)劃的耦合關(guān)系，提高了IES規(guī)劃的準(zhǔn)確性[55 - 57]。文獻(xiàn)[55]提出了天然氣和電力系統(tǒng)的擴(kuò)建規(guī)劃方法，較為充分考慮了ESN拓?fù)浼肮芫€容量的規(guī)劃。文獻(xiàn)[56]建立了綜合電力和天然氣的IES擴(kuò)展規(guī)劃模型，模型考慮了ESN拓?fù)浜凸芫€容量的規(guī)劃。文獻(xiàn)[57]提出了多區(qū)域IES間主要供能聯(lián)絡(luò)線的規(guī)劃方法，優(yōu)化了供能聯(lián)絡(luò)線的拓?fù)浼叭萘?。也有部分研究采用圖論方法(如最小生成樹算法、最短路徑算法等)規(guī)劃ESN拓?fù)鋄58 - 63]。文獻(xiàn)[58]通過P-中值理論和枚舉法，最小化IES節(jié)點(diǎn)負(fù)荷與節(jié)點(diǎn)和能源站之間的距離的乘積，實(shí)現(xiàn)能源站選址和ESN管線的優(yōu)化規(guī)劃。文獻(xiàn)[59]建立了IES能源站規(guī)劃模型，采用最短路徑算法和P-中值理論求解ESN拓?fù)?。文獻(xiàn)[60]建立了IES的ESN樹，將電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)分別視為獨(dú)立的樹，并采用最小生成樹算法對供能網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃。文獻(xiàn)[61]將IES能源站和管線分別抽象為節(jié)點(diǎn)和邊，基于有向圖理論建立了IES能源站的容量和供能拓?fù)湟?guī)劃模型。文獻(xiàn)[62]提出了一種基于有向無環(huán)樹的ESN拓?fù)鋬?yōu)化的IES規(guī)劃方法。文獻(xiàn)[63]建立了以管線流量為權(quán)重的IES規(guī)劃模型，并采用Prim算法對模型ESN拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃。上述考慮ESN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼肮芫€容量的IES規(guī)劃研究為含大規(guī)模EV的IES規(guī)劃提供了有力的理論支撐。

1.2 IES各類供儲能設(shè)備運(yùn)行模型

目前國外學(xué)者在IES各類供儲能設(shè)備的數(shù)學(xué)模型的建立方面進(jìn)行了深入的研究。

1)PV運(yùn)行模型。光伏發(fā)電最重要的組件是光伏電池，光伏出力和光照強(qiáng)度的變化保持一致，其模型如式(1)所示[64]。

PPV(t)=R(t)SPV

(1)

式中：PPV(t)為t時(shí)段光伏出力；R(t)為t時(shí)段光照強(qiáng)度標(biāo)幺值；SPV為光伏裝機(jī)容量。

2)WT運(yùn)行模型。風(fēng)機(jī)模型一般以風(fēng)速為自變量進(jìn)行描述，如式(2)所示[64]。

(2)

式中：PWT(t)為t時(shí)段風(fēng)機(jī)出力；PWT,n為風(fēng)機(jī)額定功率；V(t)為t時(shí)段風(fēng)速；Vin、Vout和Vn分別為切入、切出和額定風(fēng)速。

3)ES運(yùn)行模型(包括NGES、CES、EES和TES)。IES中各類儲能設(shè)備主要根據(jù)各自的供能系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況對IES進(jìn)行響應(yīng)調(diào)節(jié)，提高IES運(yùn)行的靈活性和經(jīng)濟(jì)性，NGES、CES、EES和TES的儲能和放能的運(yùn)行過程具有相似性，統(tǒng)一的模型如式(3)所示[65 - 68]。

(3)

式中：EES,op(t)為t時(shí)段儲能運(yùn)行能量；ηES,cha和ηES,dis分別為儲能充、放能效率；SES為儲能容量；λES,max和λES,min分別為運(yùn)行能量百分比上下限；PES,cha,max和PES,dis,max分別為儲能充、放能功率上下限；T為每日時(shí)段數(shù)。

4)EC、EH、GB和AR運(yùn)行模型。上述設(shè)備均為將某種形式的能量轉(zhuǎn)化為另一種形式的能量的IES供能設(shè)備，主要考慮其能量轉(zhuǎn)化效率，從而實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，能量轉(zhuǎn)化過程具有一定的相似性，統(tǒng)一的模型如式(4) 所示[65 - 68]。

(4)

式中：PEQ,out(t)和PEQ,in(t)分別為t時(shí)段供能設(shè)備的輸出和輸入功率；ηEQ,tra為供能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換效率；PEQ,out,max和PEQ,out,min分別為供能設(shè)備出力上、下限。

5) CHP運(yùn)行模型和CCHP運(yùn)行模型。CHP機(jī)組由燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組和余熱鍋爐分別進(jìn)行發(fā)電和余熱的回收和利用，而CCHP機(jī)組較CHP機(jī)組多了吸收制冷裝置，所以相比于式(5)的CHP模型[65 - 68]需CCHP要增加式(6)的CCHP吸收制冷部分模型[65 - 68]。

(5)

(6)

式中：PCHP,gas(t)為t時(shí)段CHP機(jī)組輸入的氣功率(天然氣按熱值GHV折算為熱量的功率)；PCHP,gas(t)和PCHP,heat(t)分別為t時(shí)段CHP機(jī)組電和熱出力功率；ηCHP,ele和ηCHP,heat分別為CHP機(jī)組的發(fā)電效率和制熱效率；RD和RU分別為向上、下的爬坡率；PCCHP,cold(t)和PCCHP,gas(t)分別為CCHP機(jī)組輸出冷功率和輸入氣功率；ηCCHP,cold為CCHP機(jī)組的制冷效率；PCCHP,cold,max和PCCHP,cold,min分別為CCHP的冷出力的上、下限。

1.3 IES各類供儲能設(shè)備容量配置

基于上述各類ESSE的運(yùn)行模型，各類文獻(xiàn)研究提出各類ESSE的容量配置模型。

1)PV和WT定容模型。PV和WT的裝機(jī)容量一般需要大于其出力[64 - 68]。

(7)

式中SWT為WT的裝機(jī)容量。

2)ES定容模型[65 - 68](包括NGES、CES、EES和TES)。

EES,op(t)≤EES,?t

(8)

式中EES為儲能容量。

3)EC、EH、GB和AR運(yùn)行模型[65 - 68]。

PEQ,out(t)≤SEQ,?t

(9)

式中SEQ為EC、EH、GB和AR的裝機(jī)容量。

4)CHP運(yùn)行模型和CCHP運(yùn)行模型，分別滿足式(10)—(11)[65]。

(10)

(11)

式中：SCHP和SCCHP分別為CHP和CCHP機(jī)組的裝機(jī)容量；ηCCHP,ele和ηCCHP,heat分別為CCHP機(jī)組發(fā)電效率和制熱效率；PCCHP,heat(t)為t時(shí)段CCHP機(jī)組的熱出力功率。

1.4 各供能系統(tǒng)潮流模型

1.4.1 電網(wǎng)潮流模型

1)電網(wǎng)直流潮流模型[68]。

(12)

(13)

式中：Fl(t)為t時(shí)段線路l上的功率；θl,b1(t)和θl,b2(t)分別為t時(shí)段線路l的起點(diǎn)b1和終點(diǎn)b2的相位；xl為線路l的電抗；LE和LC分別為已存在和待建線路的集合；yl為待建線路l建設(shè)與否的0- 1變量；M為一個(gè)較大的正實(shí)數(shù)。

2)電網(wǎng)交流潮流模型[69]。

(14)

式中：Pex,i和Qex,i分別為IES配電網(wǎng)與上級電網(wǎng)之間的有功和無功交互功率；Pin,i和Qin,i分別為節(jié)點(diǎn)i的注入有功和無功功率；Π(i)為節(jié)點(diǎn)i通過電力線路直接相連的節(jié)點(diǎn)集合(包含節(jié)點(diǎn)i)；Ui為節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值；Gi,j和Bi,j分別為電力線路i,j導(dǎo)納的實(shí)部和虛部；θi,j為電力線路i,j的相角差。

3)電網(wǎng)Dist-flow潮流模型[70]。

(15)

1.4.2 氣網(wǎng)潮流模型

由于主要考慮規(guī)劃層面的問題，氣網(wǎng)采用靜態(tài)模型進(jìn)行描述。天然氣系統(tǒng)中管道l(首末節(jié)點(diǎn)分別為節(jié)點(diǎn)b1與節(jié)點(diǎn)b2的管道流量計(jì)算式為[67]：

(16)

式中：sgn為符號函數(shù)(sign function)；πb1(t)和πb2(t)分別為t時(shí)段節(jié)點(diǎn)b1與節(jié)點(diǎn)b2處的氣壓；Wl為天然氣管道系數(shù)。

文獻(xiàn)[68]對式(16)的氣網(wǎng)靜態(tài)模型進(jìn)行泰勒展開并略去高次項(xiàng)，得到分段線性化的氣網(wǎng)潮流模型。

1.4.3 熱網(wǎng)潮流模型

熱網(wǎng)潮流模型[67]如式(17)—(20)。

PHN,L=CWMQ(TW,in-TW,out)

(17)

(18)

式中：PHN,L為熱網(wǎng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)功率；MQ為節(jié)點(diǎn)流出的質(zhì)量流量；CW為介質(zhì)水的比熱容；TW,in和TW,out分別為節(jié)點(diǎn)供水和出水溫度；A為供熱網(wǎng)絡(luò)的節(jié)-支關(guān)聯(lián)矩陣；M為各管道流量；MQ為各節(jié)點(diǎn)流出的流量；B為供熱管網(wǎng)的回-支關(guān)聯(lián)矩陣；HF為壓頭損失向量。

熱網(wǎng)主要滿足節(jié)點(diǎn)溫度約束和節(jié)點(diǎn)流量約束，分別滿足如下公式[67]。

(19)

MQ,i,min≤MQ,i≤MQ,i,max

(20)

式中：Ti、Ti,max和Ti,min分別為節(jié)點(diǎn)i的溫度及其上下限；Mout和Ti,out分別為節(jié)點(diǎn)i流出的流量和溫度；Min和Ti,in分別為節(jié)點(diǎn)流入的流量和溫度；MQ,i,max和MQ,i,min分別為節(jié)點(diǎn)i的流量的上下限。

2 電動(dòng)汽車充換電設(shè)施規(guī)劃

EV負(fù)荷預(yù)測是充換電設(shè)施規(guī)劃及調(diào)度的研究基礎(chǔ)[18]，首先對目前主要的EV負(fù)荷預(yù)測方法的研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，在此基礎(chǔ)上對EV充換電設(shè)施及其規(guī)劃研究現(xiàn)狀進(jìn)行分類描述，進(jìn)而對EV充換電設(shè)施與電網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃、考慮碳排放的EV充換電設(shè)施規(guī)劃的相關(guān)內(nèi)容的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行敘述。

2.1 EV負(fù)荷預(yù)測方法

目前針對EV負(fù)荷預(yù)測的研究已取得較大進(jìn)展。多數(shù)EV時(shí)空負(fù)荷預(yù)測結(jié)果為某一區(qū)域的充電負(fù)荷曲線，未給出EV負(fù)荷的具體的地理位置坐標(biāo)信息[69 - 72]。上述EV負(fù)荷時(shí)間分布曲線預(yù)測結(jié)果可以較好的應(yīng)用于引導(dǎo)EV有序充換電[69 - 70]，也可應(yīng)用于單個(gè)EV充換電設(shè)施的建站容量優(yōu)化規(guī)劃[71 - 72]。目前較多的研究以靜止的EV空間負(fù)荷分布為基礎(chǔ)對EV充換電設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃[73 - 75]，這些預(yù)測結(jié)果給出EV具體地理位置坐標(biāo)，適用于EV充換電設(shè)施的選址定容規(guī)劃研究。但靜止的EV空間負(fù)荷分布無法反映其在時(shí)間上的數(shù)量起伏和空間上的聚散效果，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行選址定容規(guī)劃方案的負(fù)荷適應(yīng)性較低。少數(shù)研究對EV時(shí)空負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果不僅含有EV負(fù)荷車輛的地理位置信息，還包含EV負(fù)荷在數(shù)量上變化的負(fù)荷信息[76]。EV負(fù)荷的強(qiáng)時(shí)空變化特性又對充換電設(shè)施選址定容規(guī)劃提出了較大難度，有少數(shù)研究實(shí)現(xiàn)了基于EV時(shí)空負(fù)荷預(yù)測結(jié)果的充換電設(shè)施選指定容規(guī)劃[77 - 78]。

2.1.1 EV概率模型

根據(jù)美國交通部公布的全美家用車輛調(diào)查結(jié)果，EV日行駛里程s近似滿足對數(shù)正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為[79]：

(21)

用戶最后返程時(shí)刻t也近似滿足正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為[80]：

(22)

式中：σs和σt分別為3.24和3.41；μs和μt分別為8.92和17.47。

文獻(xiàn)[81 - 82]采用EV概率模型對EV負(fù)荷進(jìn)行模擬預(yù)測，并以此為基礎(chǔ)對EV充換電設(shè)施進(jìn)行規(guī)劃。文獻(xiàn)[81]建立了考慮EV概率模型的充電網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)規(guī)劃模型，對充電站建設(shè)地址和容量進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[82]基于EV概率模型模擬預(yù)測，提出計(jì)及全壽命周期成本的EV充電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型。

2.1.2 EV排隊(duì)論模型

排隊(duì)論模型是一種基于生滅過程的多服務(wù)機(jī)構(gòu)、單隊(duì)列的排隊(duì)模型系統(tǒng)，要求EV到達(dá)時(shí)間間隔和電能補(bǔ)充設(shè)施的服務(wù)時(shí)長均滿足指數(shù)分布，M/M/k排隊(duì)論模型的平均等待時(shí)長Wq滿足[83]：

(23)

(24)

(25)

式中：λ為服從泊松過程的EV的平均到達(dá)率；μ為單個(gè)充(換)電設(shè)備的平均服務(wù)率；k為充(換)電設(shè)備總數(shù)；ρ=λ/(kμ)為排隊(duì)系統(tǒng)的服務(wù)強(qiáng)度；ρ和P0均為系統(tǒng)參數(shù)，其中ρ<1；Lq為平均排隊(duì)長度。

文獻(xiàn)[84 - 85]以EV排隊(duì)論為理論基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了對EV負(fù)荷的不確定性的較好的描述，進(jìn)而對EV充換電設(shè)施進(jìn)行規(guī)劃。文獻(xiàn)[84]提出一種基于EV排隊(duì)論負(fù)荷預(yù)測的充電站規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[85]基于排隊(duì)論理論實(shí)現(xiàn)對EV負(fù)荷的預(yù)測，并對考慮配網(wǎng)潮流的高速公路快速充電站進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃。

2.1.3 基于出行鏈的EV負(fù)荷預(yù)測模型

EV用戶會根據(jù)出行需求的到達(dá)地位置和出發(fā)點(diǎn)位置之間的駕駛距離，同時(shí)根據(jù)車輛剩余電量來決策途中是否需要電能補(bǔ)充。因此，EV電能補(bǔ)充需求與出行需求具有較強(qiáng)的耦合關(guān)系。EV用戶按照其用戶出行的類型可將出行目的地位置劃分為居民區(qū)、商業(yè)區(qū)和工作區(qū)，并可將 EV用戶典型的出行鏈分為圖4所示的4類[86]。

圖4 EV用戶典型的出行鏈

文獻(xiàn)[87 - 88]基于EV負(fù)荷出行鏈的分析預(yù)測，實(shí)現(xiàn)了EV充換電設(shè)施優(yōu)化規(guī)劃。文獻(xiàn)[87]以模擬EV出行鏈為基礎(chǔ)，得到電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的充電需求，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對EV充電站的優(yōu)化規(guī)劃。文獻(xiàn)[88]基于出行鏈和Dijkstra最短路徑算法，提出了考慮駕駛?cè)顺鲂墟湹某潆娬具x址定容模型。

2.1.4 基于道路車速流量的EV負(fù)荷預(yù)測模型

在城市交通系統(tǒng)中，車輛行駛速度主要受道路容量和車流量的影響，采用t時(shí)刻以i,j為端點(diǎn)的直連路段(i,j)上車輛行駛速度vi,j(t)描述車輛速度-流量實(shí)用模型，滿足式(26)[89]。

(26)

式中：vi,j-m為直連路段(i,j)的零流速度；Ci,j為道路(i,j)的通行能力，與道路等級有關(guān)；qi,j(t)為t時(shí)段道路(i,j)的路段流量；qi,j(t)與Ci,j的比值為t時(shí)段道路飽和度；a、b和n為不同道路等級(主干道、次干道)下的自適應(yīng)系數(shù)。

文獻(xiàn)[90 - 91]基于道路車速流量的EV負(fù)荷預(yù)測為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，較好地解決了EV充換電設(shè)施的優(yōu)化規(guī)劃問題。文獻(xiàn)[90]基于EV動(dòng)態(tài)車流模擬，提出一種更為準(zhǔn)確的高速公路充電站優(yōu)化規(guī)劃模型與方法。文獻(xiàn)[91]提出一種計(jì)及路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、車流信息的城市區(qū)域EV充電站規(guī)劃模型。

2.1.5 EV時(shí)空負(fù)荷預(yù)測模型

文獻(xiàn)[77]提出一種充電EV和電動(dòng)公交車的時(shí)空負(fù)荷預(yù)測方法，并基于EV時(shí)空負(fù)荷預(yù)測結(jié)果，對EV充換放儲一體化電站進(jìn)行規(guī)劃。文獻(xiàn)[78]提出一種換電出租車和換電私家車的時(shí)空負(fù)荷預(yù)測方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電池配送站的換電負(fù)荷需求的預(yù)測，最后實(shí)現(xiàn)了對集中型充電站的優(yōu)化規(guī)劃。

2.2 EV充換電設(shè)施規(guī)劃

充換電設(shè)施向著充電快速化、集成化方向發(fā)展[92]，大功率EV快速充換電設(shè)施規(guī)劃是解決EV出行和提升EV便利性的必然選擇[93]，其統(tǒng)一調(diào)度和集中管理可實(shí)現(xiàn)整體最優(yōu)[94]。此外，集中通信、集中控制的成本低和控制算法的復(fù)雜性低，一體化綜合調(diào)度由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度大型EV集中型供儲能設(shè)施的充放電，是實(shí)現(xiàn)EV有序充放電管理的明顯特征，也是克服EV難以計(jì)劃和控制的核心方法，可進(jìn)一步緩解EV并網(wǎng)對電網(wǎng)在潮流、諧波方面產(chǎn)生的等不確定性沖擊和影響[95]。而EV分散充電樁屬于分散式充電設(shè)施，其調(diào)度優(yōu)化異常復(fù)雜[94]，EV個(gè)體用戶直接響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度的可能性較小[92]，同時(shí)EV負(fù)荷空間分布復(fù)雜[96]，將進(jìn)一步導(dǎo)致電網(wǎng)潮流變化的復(fù)雜程度，為電網(wǎng)的規(guī)劃及運(yùn)行提出了較大難題[95]。從電網(wǎng)角度出發(fā)，才存在有序充電的概念，而對于EV用戶而言，則無有序以及無序的差別，同時(shí)，難以保證分散充電樁的EV的調(diào)度精度和調(diào)度有效性，調(diào)度難度及調(diào)度成本較大[95]。分散充電樁無法達(dá)到EV集中型充換電設(shè)施在運(yùn)行調(diào)度上的優(yōu)勢[92 - 96]。于此同時(shí)，電網(wǎng)的不具有對EV車輛直接調(diào)度的權(quán)限，一般通過電價(jià)信號等引導(dǎo)EV參與電網(wǎng)調(diào)度[96]。同時(shí)，車載電池的所有權(quán)以及車輛充換電決策權(quán)均為EV用戶所有，用戶完全可以根據(jù)自身出行需求各自分散決策是否進(jìn)行電能補(bǔ)充以及何時(shí)何地進(jìn)行電能補(bǔ)充，若要EV用戶接受電網(wǎng)調(diào)控，需要一系列的政策及服務(wù)手段，其調(diào)度難度較大[95]。綜上所述，基于目前IES環(huán)境下大規(guī)模EV的調(diào)度可行性和有效的考慮，本文主要討論IES環(huán)境下的EV集中型充換電設(shè)施的規(guī)劃問題。

EV集中型充換電設(shè)施主要分類如圖5所示，具體分類和特點(diǎn)以及現(xiàn)有規(guī)劃的研究如下。

圖5 EV充換電設(shè)施分類

1)充電站[17,87,97]。充電EV駛?cè)牒笥沙潆姍C(jī)直接充電。結(jié)構(gòu)功能單一，一定程度上可實(shí)現(xiàn)V2G(vehicle to grid)輔助電網(wǎng)調(diào)節(jié)，難以有效平抑PEV負(fù)荷波動(dòng)性[17,87,97]。文獻(xiàn)[97]計(jì)及充電站的容量、位置和服務(wù)范圍之間的關(guān)系，建立充電站選址定容規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[17]以充電站成本、時(shí)間損失和路途電量損耗的用戶經(jīng)濟(jì)損失最小為目標(biāo)提出EV充電站規(guī)劃方法。文獻(xiàn)[87]提出一種考慮EV充電需求和電網(wǎng)接納能力的充電站規(guī)劃方法。

2)換電站[98 - 101]。換電EV駛?cè)牒蟛捎脫Q電機(jī)進(jìn)行快速電池更換，并在站內(nèi)對電池進(jìn)行充電。可利用換電站中EV換電電池進(jìn)行B2G(battery to grid)參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷、平抑EV負(fù)荷以及DG出力波動(dòng)和消納等目標(biāo)。文獻(xiàn)[99]建立了一種基于配電網(wǎng)可靠性的DG與換電站協(xié)同規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[100]提出一種含可控DG和換電站的配電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃方法。文獻(xiàn)[101]提出EV換電站的有序充電策略，以建設(shè)運(yùn)行成本、負(fù)荷波動(dòng)以及網(wǎng)損為目標(biāo)，提出統(tǒng)籌考慮EV換電站和DG的多場景協(xié)調(diào)規(guī)劃方法。

3)集中型充電站[3,72]。換電EV在電池配送站(只作為電池更換場所，不具備充電功能)中進(jìn)行換電，電池配送站將低電量電池通過電池運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)輸至集中型充電站充電，滿電后運(yùn)回電池配送站。集中型充電站可集中控制充電功率，有利于制定電網(wǎng)友好的充電方案[102]。EV換電可靠性和用戶滿意度受到電池運(yùn)輸?shù)冉煌ㄒ蛩氐闹萍s，一般為電網(wǎng)調(diào)度不可控因素。含集中型充電站的EV充換電網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。文獻(xiàn)[75]考慮不同主體的利益均衡，將集中型充電站作為可控負(fù)荷對電網(wǎng)進(jìn)行削峰填谷，建立集中型充電站規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[72]結(jié)合換電需求和物流配送建立了集中充電站容量規(guī)劃模型，實(shí)現(xiàn)對集中型充電站儲能容量和充電機(jī)的優(yōu)化配置。文獻(xiàn)[78]構(gòu)建了一種基于換電EV時(shí)空負(fù)荷預(yù)測的電池集中充電站選址和定容規(guī)劃模型。

圖6 含集中型充電站的EV充換電網(wǎng)絡(luò)

4)充換電站[103]。具備充電站和換電站的結(jié)構(gòu)和功能，可滿足EV充換電需求，功能較為全面，可較好的實(shí)現(xiàn)V2G和B2G平抑EV負(fù)荷波動(dòng)等。文獻(xiàn)[15]將交互式多準(zhǔn)則決策方法擴(kuò)展至不確定語言環(huán)境，提出一種充換電站優(yōu)化選址模型。文獻(xiàn)[103]提出一種基于最大熵理論的多類型EV充換電站規(guī)劃方法。文獻(xiàn)[104]基于共享EV租賃規(guī)律以及功率、時(shí)間預(yù)測模型，建立效率高、成本低、電網(wǎng)友好型的混合充換電站最優(yōu)規(guī)劃模型。

5)光儲充電站[71,105 - 106]。結(jié)合PV和充電站的特點(diǎn)，一定程度上實(shí)現(xiàn)PV出力和EV負(fù)荷互補(bǔ)，但通常充電站EV負(fù)荷功率很大，需配備大規(guī)模PV才可真正實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)運(yùn)行，同時(shí)，PV配置提高了建設(shè)投資。文獻(xiàn)[71]提出一種計(jì)及EV用戶價(jià)格型需求響應(yīng)的光儲充電站容量配置方法。文獻(xiàn)[105]針對大規(guī)模EV在城際間的出行充電問題，提出了城際光儲充電站定容規(guī)劃方法。文獻(xiàn)[106]提出充電站內(nèi)充電樁、PV、ES的能量交換策略，對光儲充電站的接入位置以及配置容量進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃。

6)充換放儲一體化電站[77,107]。主要由充電、換電、梯級儲能系統(tǒng)構(gòu)成，充電、換電系統(tǒng)分別為充電EV、換電EV提供快速充、換電服務(wù)，梯級儲能系統(tǒng)對退役電池進(jìn)行梯級重組利用，提高電網(wǎng)環(huán)保性，具備調(diào)節(jié)電網(wǎng)削峰填谷[70]以及平抑波動(dòng)[108]、電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整[109]、故障恢復(fù)[110]等優(yōu)勢，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。文獻(xiàn)[77]提出一種充換電EV時(shí)空負(fù)荷預(yù)測方法，并提出結(jié)合粒子群算法和迪克斯特拉算法的組合算法，對充換放儲一體化電站進(jìn)行選址定容規(guī)劃。文獻(xiàn)[108]建立了一種交直流配電網(wǎng)環(huán)境中的EV充換放儲一體化電站規(guī)劃模型。

圖7 充換放儲一體化電站結(jié)構(gòu)

2.3 EV充換電設(shè)施與電網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃

目前，電網(wǎng)面臨電力容量不足、增容難，限制充換電設(shè)施的規(guī)劃建設(shè)，揭示了電網(wǎng)和充換電設(shè)施的規(guī)劃建設(shè)的匹配問題。國內(nèi)充換電設(shè)施缺額嚴(yán)重，一定程度上與電網(wǎng)建設(shè)和EV負(fù)荷需求增速未良好匹配有關(guān)，其原因是：1)電網(wǎng)規(guī)劃未(欠)考慮EV負(fù)荷，導(dǎo)致后期充換電設(shè)施建設(shè)受限，或建成后對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致電網(wǎng)被動(dòng)改擴(kuò)建或增設(shè)大量儲能平衡電力缺額；2)充換電設(shè)施規(guī)劃時(shí)未(欠)考慮配電網(wǎng)建設(shè)速度，建成后電網(wǎng)容量不足或短期無法增容，導(dǎo)致充換電設(shè)施無法正常營運(yùn)，或需高壓專線供電，造成資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。電網(wǎng)和充換電設(shè)施協(xié)同規(guī)劃可提高規(guī)劃的合理性和環(huán)保性，延遲改擴(kuò)建，降低建設(shè)規(guī)模，節(jié)約資源，提高電能質(zhì)量和供電效率，提高安全、可靠和經(jīng)濟(jì)性。綜上所述，需要進(jìn)一步提高規(guī)劃環(huán)節(jié)的統(tǒng)籌性，形成協(xié)同規(guī)劃理念。

目前，針對含EV的配電系統(tǒng)的規(guī)劃研究還較少，充換電設(shè)施是電網(wǎng)的一部分[111]，其規(guī)劃必須考慮與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)[112]。文獻(xiàn)[112]建立了充電網(wǎng)絡(luò)和配電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[14]構(gòu)建了儲能、充電站和配電網(wǎng)聯(lián)合規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[113]建立了含充電站的配電網(wǎng)規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[114]構(gòu)建了含風(fēng)、光、儲和充電站的配電網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[115]建立了基于EV調(diào)度的配電網(wǎng)規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[116]提出一種含插電EV的配電網(wǎng)的儲能和DG規(guī)劃方法。文獻(xiàn)[117]建立了含共享EV、PV、儲能的電網(wǎng)拓展規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[118]提出一種配電網(wǎng)中的EV充電站優(yōu)化配置模型。上述研究驗(yàn)證了協(xié)同規(guī)劃可提高電網(wǎng)供電可靠性和電能質(zhì)量以及EV接入水平，降低規(guī)劃投資，提高運(yùn)行效益，減少資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)綜合經(jīng)濟(jì)最優(yōu)，同時(shí)有利于平抑EV和DG功率波動(dòng)，提升DG滲透率。

2.4 考慮碳排放的EV充換電設(shè)施規(guī)劃

發(fā)展低碳電力是電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路[119]。文獻(xiàn)[120]指出化石燃料燃燒產(chǎn)生溫室氣體排放到環(huán)境中形成碳排放。文獻(xiàn)[119]指出面向低碳電力調(diào)度與低碳電源、電網(wǎng)規(guī)劃的方法，都可借助碳排放流進(jìn)行分析。同時(shí)，文獻(xiàn)[119]還指出關(guān)鍵是準(zhǔn)確便辨識電力系統(tǒng)中碳排放的“來龍去脈”。而在電力行業(yè)中，發(fā)電環(huán)節(jié)通常被認(rèn)為是碳排放的源頭[120]。文獻(xiàn)[121]指出在理論上，發(fā)電側(cè)向環(huán)境排放的碳排放總量應(yīng)等于電網(wǎng)和用戶側(cè)碳排放量的總和。電能作為一種商品，其效用全部由消費(fèi)者獲得，當(dāng)不同地區(qū)間存在電能交換時(shí)，發(fā)電產(chǎn)生的能源消耗與碳排放卻不會隨著電能轉(zhuǎn)移[120]。

目前計(jì)及碳減排的充換電設(shè)施規(guī)劃研究還較少。EV所耗電能由傳統(tǒng)機(jī)組提供時(shí)，等于“以煤代油”，并非真正新能源[122]。文獻(xiàn)[122]建立了低碳效益最大化為目標(biāo)的DG和充電站協(xié)調(diào)投資模型。文獻(xiàn)[123]以EV駛向充電站引起的碳排放為目標(biāo)，建立充電站規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[124]計(jì)及碳排放，提出一種光儲充電站規(guī)劃方法。文獻(xiàn)[125]對考慮低碳收益的充電站進(jìn)行了優(yōu)化規(guī)劃。文獻(xiàn)[126]基于充電站碳減排收益的分析，建立充電站規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[127]對考慮碳足跡的充電站和WT進(jìn)行了優(yōu)化規(guī)劃。EV充換電設(shè)施與區(qū)域碳排放量之間的耦合關(guān)系如圖8所示。由圖8可知，影響區(qū)域碳排放量的電力系統(tǒng)的主要由區(qū)域內(nèi)傳統(tǒng)機(jī)組總發(fā)電量決定，區(qū)域內(nèi)傳統(tǒng)機(jī)組總發(fā)電量主要由區(qū)域清潔能源總發(fā)電量、總用電量和跨區(qū)域總交換電量決定，而充換電設(shè)施的建設(shè)投資將很大程度上影響EV的用電量，從而進(jìn)一步影響區(qū)域總用電量，進(jìn)而影響區(qū)域碳排放量。

圖8 EV充換電設(shè)施與區(qū)域碳排放量之間的耦合關(guān)系

3 IES環(huán)境下的EV充換電設(shè)施規(guī)劃

EV充換電設(shè)施和IES協(xié)同規(guī)劃框架如圖9所示。由圖9可知，EV充換電設(shè)施規(guī)劃通過其站址坐標(biāo)、供電路徑、功率需求和計(jì)劃等規(guī)劃及運(yùn)行因素與配電網(wǎng)規(guī)劃之間構(gòu)成相互之間的較強(qiáng)的耦合。同時(shí)，配電網(wǎng)規(guī)劃通過供能網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、用能?jì)劃等規(guī)劃及運(yùn)行因素與IES規(guī)劃之間構(gòu)成相互之間的較強(qiáng)耦合?？芍?，EV充換電設(shè)施和冷、熱、氣、電多能IES系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃是一個(gè)有機(jī)耦合整體。

圖9 EV充換電設(shè)施和IES協(xié)同規(guī)劃框架

EV充換電設(shè)施和IES融合系統(tǒng)的碳交易機(jī)制如圖10所示。由圖10可知，IES和EV充換電設(shè)施融合系統(tǒng)中IES通過可再生能源的清潔發(fā)電，降低傳統(tǒng)燃煤、燃?xì)鈾C(jī)組的出力，從而有效降低整體環(huán)境碳排量，IES環(huán)境下的EV充換電設(shè)施為電力負(fù)荷，負(fù)荷需求引起發(fā)電側(cè)的電力生產(chǎn)，從而增加環(huán)境碳排量，通過碳交易機(jī)制將IES供用能和EV充換電設(shè)施用能進(jìn)行有機(jī)融合，更好地實(shí)現(xiàn)DG出力的就地消納，從而降低整體環(huán)境碳排量。

圖10 EV充換電設(shè)施和IES融合系統(tǒng)的碳交易機(jī)制

3.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

較多的研究表明EV替代傳統(tǒng)燃油汽車將降低高碳化石能源的利用和消費(fèi)，緩解我國對進(jìn)口化石能源的依賴，減少區(qū)域交通排放污染，同時(shí)可以進(jìn)一步提高IES對環(huán)境碳減排的效益，對IES環(huán)境下的EV充換電設(shè)施的優(yōu)化規(guī)劃及運(yùn)行調(diào)度具有較為重要的研究意義。文獻(xiàn)[128]針對含EV、氣、風(fēng)、光、氫的IES進(jìn)行規(guī)劃，計(jì)及IES供能范圍的EV充電需求，建立了計(jì)及EV隨機(jī)充電的風(fēng)-光-氫IES規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[28]首先描述了WT出力和EV負(fù)荷的不確定模型，進(jìn)而提出一種基于隨機(jī)模型的最大熵方法對WT出力和EV負(fù)荷模型，最后提出考慮供冷期、供暖期和過渡期3個(gè)場景的IES協(xié)同規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[27]為滿足多元化能源需求和優(yōu)化能源分配利用，提出一種基于電、氣和交通網(wǎng)的綜合能源站的智慧IES規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[129]考慮了CHP以及EV充電站，建立電-氣混聯(lián)IES規(guī)劃模型，實(shí)現(xiàn)了對發(fā)電機(jī)組、GB、CHP、輸電線路、天然氣管線和EV充電站的優(yōu)化規(guī)劃。文獻(xiàn)[5]針對實(shí)際獨(dú)立海島IES結(jié)構(gòu)，構(gòu)建以可再生能源發(fā)電與補(bǔ)給能源為源端，常規(guī)負(fù)荷與EV為終端的IES規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[130]基于IES多能互補(bǔ)的特性，利用能源集線器將電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)和交通網(wǎng)進(jìn)行耦合，提出一種IES規(guī)劃方法。

3.2 國外研究現(xiàn)狀

EV充換電設(shè)施規(guī)劃和運(yùn)行將導(dǎo)致IES配電系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行出現(xiàn)較大的復(fù)雜性，進(jìn)而影響IES系統(tǒng)中冷、熱、氣等其余供能網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和運(yùn)行。同時(shí)，冷、熱、氣、電多能耦合IES系統(tǒng)，也將通過各類ESSE將復(fù)雜能量運(yùn)行狀態(tài)耦合到配電系統(tǒng)，進(jìn)而較大程度地影響EV充換電設(shè)施的合理和準(zhǔn)確的規(guī)劃和運(yùn)行。針對上述問題，有較多的國外學(xué)者對含EV的IES系統(tǒng)的規(guī)劃及其調(diào)度運(yùn)行進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[131]基于對IES和智能電網(wǎng)系統(tǒng)的分析，提出一種改善EV充電站電壓質(zhì)量和諧波的方法。文獻(xiàn)[53]建立了考慮充電站的城郊IES和電動(dòng)沼氣交通協(xié)同規(guī)劃模型，提出了一種包含電、氣、熱和交通負(fù)荷的主動(dòng)配電網(wǎng)和交通網(wǎng)聯(lián)合規(guī)劃方法。文獻(xiàn)[132]基于EV可控負(fù)載特性，建立了建筑IES的EV需求響應(yīng)模型，驗(yàn)證了建筑IES是區(qū)域IES的終端節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)電、氣、熱、交通等多能源網(wǎng)絡(luò)的耦合。文獻(xiàn)[133]針對區(qū)域電-熱一體化IES，首先分析系統(tǒng)中各機(jī)組的運(yùn)行特性和調(diào)度成本，然后建立IES的日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[134]首先建立了建筑IES的框架和模型，考慮EV移動(dòng)儲能裝置的特點(diǎn)，在建筑IES出現(xiàn)供能故障時(shí)，EV提供應(yīng)急輔助服務(wù)，提高了建筑IES的運(yùn)行效率和供能可靠性。文獻(xiàn)[135]研究了具備多種供能方式和靈活負(fù)荷的區(qū)域IES優(yōu)化調(diào)度問題，建立了IES環(huán)境下的ES和EV的IES能源樞紐優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)[136]從規(guī)劃角度分析了新開發(fā)城市社區(qū)綠色潛力，提出一種融合電、熱和交通網(wǎng)絡(luò)的IES的規(guī)劃方法。文獻(xiàn)[137]考慮到電力對天然氣深度脫碳的影響，計(jì)及電力系統(tǒng)平衡和EV出行需求平衡，提出了一種區(qū)域IES與交通系統(tǒng)協(xié)調(diào)長期規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[138]基于社區(qū)IES多能互補(bǔ)、綜合優(yōu)化的特點(diǎn)，建立了包括能源運(yùn)營商、分布式PV和EV充電代理在內(nèi)的IES優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[139]針對EV充電和建筑蓄熱的管理問題，提出一種考慮聯(lián)合虛擬儲能的區(qū)域IES優(yōu)化調(diào)度方法。文獻(xiàn)[140]針對EV大規(guī)模接入影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題，提出一種EV集群參與區(qū)域IES的優(yōu)化策略。

4 IES環(huán)境下充換電設(shè)施規(guī)劃面臨的難題

雖然EV充換電設(shè)施和IES融合供能系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)模式具有諸多優(yōu)點(diǎn)并且逐步受到供能企業(yè)的大力推崇，但從目前的發(fā)展情況來看，IES環(huán)境下的EV充換電設(shè)施模式似乎進(jìn)入了一定的瓶頸時(shí)期。隨著IES環(huán)境下的EV充換電設(shè)施模式建設(shè)的不斷開展，這一新興模式存在的問題也日益凸顯。

1)合理規(guī)劃及運(yùn)行調(diào)度。充換電設(shè)施的EV負(fù)荷的強(qiáng)時(shí)空不確定性將很大程度上導(dǎo)致區(qū)域配電系統(tǒng)規(guī)劃及運(yùn)行具有較強(qiáng)的復(fù)雜性，進(jìn)而影響耦合運(yùn)行的IES系統(tǒng)中冷、熱、氣等其他供能網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃及運(yùn)行。同時(shí)，多能耦合互補(bǔ)運(yùn)行的IES，也將復(fù)雜的能量耦合關(guān)系通過電網(wǎng)對EV充換電設(shè)施的規(guī)劃及運(yùn)行產(chǎn)生影響。兩者規(guī)劃及運(yùn)行的合理性和準(zhǔn)確性欠佳可能導(dǎo)致耦合運(yùn)行的EV充換電設(shè)施和冷、熱、氣、電多能互補(bǔ)IES的運(yùn)行解列，從而影響IES環(huán)境下EV充換電設(shè)施以及IES項(xiàng)目的落地。

2)安全性與責(zé)任界定。IES環(huán)境下EV充換電設(shè)施模式的發(fā)展有可能徹底改變傳統(tǒng)汽車企業(yè)、能源企業(yè)和消費(fèi)者的三方結(jié)構(gòu)，而出現(xiàn)EV充換電設(shè)施和冷、熱、氣、電多能互補(bǔ)IES規(guī)劃及運(yùn)行的諸多參與方。在這種新興格局下，EV充換電設(shè)施和IES的融合系統(tǒng)的初期建設(shè)投資工作、日常運(yùn)行維護(hù)工作等由誰來承擔(dān)，當(dāng)出現(xiàn)安全問題時(shí)責(zé)任如何界定等都是亟待解決的難題。

3)IES環(huán)境下的EV充換電設(shè)施模式建設(shè)。對于EV充換電設(shè)施和多能耦合IES建設(shè)投資方而言，IES環(huán)境下的EV充換電設(shè)施模式的主要優(yōu)勢在于其不同能源系統(tǒng)之間的互補(bǔ)耦合運(yùn)行提高了整體的供用能效率，并可進(jìn)一步降低碳排放，但在現(xiàn)實(shí)中該耦合能源系統(tǒng)依賴于規(guī)?；ㄔO(shè)的EV充換電網(wǎng)絡(luò)和冷、熱、氣、電多能互補(bǔ)的IES，這也意味著超大規(guī)模的投資要求，在目前其能源模式可行性仍存疑的環(huán)境下，其規(guī)?；ㄔO(shè)也面臨著巨大的資金瓶頸。

4)利潤和責(zé)任分配。由于EV充換電設(shè)施和IES的規(guī)劃及運(yùn)行具有很強(qiáng)的耦合性，且EV充換電設(shè)施、電、氣、熱、冷網(wǎng)歸屬于不同的利益主體，眾多利益主體之間具有復(fù)雜的利益博弈。EV充換電設(shè)施和IES融合供能系統(tǒng)模式下，如何合理分配EV充換電設(shè)施、電網(wǎng)、氣網(wǎng)、熱網(wǎng)和冷網(wǎng)之間的成本和利潤等經(jīng)濟(jì)利益以及碳排放權(quán)益和責(zé)任，目前還沒有明確的劃分方法。

可以看出，EV充換電設(shè)施和IES融合供能系統(tǒng)模式的應(yīng)用仍面臨較多問題，就目前的技術(shù)水平和相關(guān)法律、商業(yè)模式配套而言，還不足以支撐該供能模式的大規(guī)模應(yīng)用。

5 結(jié)論和展望

IES耦合電、熱、冷、氣等多種能源，通過各種能源生產(chǎn)、傳輸、儲存、轉(zhuǎn)換、分配等環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用，為用戶提供高可靠性、高效、清潔的多樣化的能源供應(yīng)。EV因節(jié)能環(huán)保特點(diǎn)成為各界關(guān)注焦點(diǎn)，EV充換電設(shè)施的規(guī)劃建設(shè)是EV推廣應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。IES環(huán)境下充換電設(shè)施的規(guī)劃研究，是含大規(guī)模EV并網(wǎng)的IES從理論到工程落地的難點(diǎn)，是未來EV充換電設(shè)施和IES融合系統(tǒng)工程實(shí)踐的基礎(chǔ)。EV充換電設(shè)施和IES融合系統(tǒng)的系統(tǒng)整體規(guī)模巨大，不同供能網(wǎng)絡(luò)之間存在諸多的耦合設(shè)備，EV和DG的隨機(jī)不確定性也進(jìn)一步影響各供能系統(tǒng)間的耦合規(guī)劃及運(yùn)行，對其進(jìn)行整體統(tǒng)籌的協(xié)同規(guī)劃有一定難度。

本文首先對IES的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述，對目前IES規(guī)劃國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。從而對IES各類供儲能設(shè)備運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建立，并根據(jù)IES各類供儲能設(shè)備運(yùn)行和容量規(guī)劃配置之間的耦合關(guān)系，分別構(gòu)建各類供儲能設(shè)施的容量配置模型。進(jìn)而，對IES各供能系統(tǒng)的潮流模型進(jìn)行了描述。針對EV充換電設(shè)施規(guī)劃環(huán)節(jié)，首要任務(wù)是對EV負(fù)荷進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測，故對目前主要的EV預(yù)測方法的進(jìn)行了概述。以此為基礎(chǔ)，對國內(nèi)外各類EV充換電設(shè)施規(guī)劃的研究進(jìn)行分類討論。針對EV充換電設(shè)施與電網(wǎng)的協(xié)同規(guī)劃方面，已有部分文獻(xiàn)進(jìn)行了研究，也有一些研究對考慮碳排放的EV充換電設(shè)施規(guī)劃方面進(jìn)行了探索，對上述兩方面的研究均進(jìn)行了相應(yīng)的闡述。EV充換電的群聚效應(yīng)對配電網(wǎng)局部產(chǎn)生較大的影響，配電系統(tǒng)將該影響耦合到IES多元供能系統(tǒng)的規(guī)劃及運(yùn)行，而IES多能互補(bǔ)耦合運(yùn)行的特點(diǎn)也將復(fù)雜的規(guī)劃及運(yùn)行特點(diǎn)，通過電網(wǎng)耦合到EV充換電設(shè)施的規(guī)劃及運(yùn)行，這方面仍有待深入研究。同時(shí)，當(dāng)前我國EV充換電設(shè)施和IES的建設(shè)如火如荼，但相應(yīng)的IES環(huán)境下的EV充換電設(shè)施規(guī)劃缺乏成熟的理論和方法。目前，針對IES環(huán)境下的EV充換電設(shè)施的規(guī)劃及運(yùn)行方面國內(nèi)外專家均進(jìn)行了一定的研究探索，本文對此進(jìn)行了闡述分析，并分析了IES環(huán)境下EV充換電設(shè)施規(guī)劃面臨的一些難題。本文在上述方面的研究對于完善IES環(huán)境下充換電設(shè)施規(guī)劃理論體系具有重要意義。